膝部安全气囊仿真与优化

栾海，田国红，程海东

1.辽宁工业大学汽车与交通工程学院，辽宁锦州 121000；2.岚图汽车科技有限公司，湖北武汉 430051

0 引言

对于乘员下肢的损伤，71%发生在汽车前碰撞事故中[1]，下肢损伤会导致生理机能丧失甚至残疾，给受伤人员带来长期的身心伤害以及沉重的经济负担，因此引起人们越来越多的重视。膝部安全气囊(knee air bag，KAB)可以分散集中撞击力，减少骨折情况发生，从而降低膝部伤害风险。

20世纪70年代，荷兰应用科学研究组织(TNO)开发了多刚体动力学分析软件MADYMO，拥有机械假人数学模型，提供安全带及安全气囊的模拟[2]，目前大多应用计算机仿真软件MADYMO搭建乘员约束系统模型，探究膝部安全气囊对下肢的影响。李丽等[3]利用MADYMO软件搭建车体-膝部安全气囊模型，通过正交试验设计对其进行优化，优化后的膝部安全气囊降低了乘员加权伤害指标。王含玉等[4]在MADYMO软件搭建客车膝部安全气囊正面碰撞约束系统模型，采用多目标遗传算法对其进行参数优化，研究表明，膝部安全气囊不仅能对大腿起到较好的保护效果，而且能减小头、胸部损伤值。

上述文献在进行优化参数选取时，是根据膝部安全气囊的特点和实际情况，并没有进行灵敏度分析，可能导致膝部安全气囊优化效果无法达到最佳，且在对乘员腿部受力分析时，只有对大腿所受合力的分析，没有对大腿X、Y、Z方向的具体受力分析。本文针对中国新车评价规程(C-NCAP)中正面100%重叠刚性壁障碰撞(FRB)的要求，利用CATIA、Hyperworks和MADYMO等软件建立了驾驶员侧正碰约束系统，对有无膝部安全气囊正碰约束系统模型各部位受力情况进行精细化分析，结合实车试验数据进行灵敏度分析、正交试验设计和极差分析，然后进一步优化，探究膝部安全气囊对乘员头部和胸部的影响以及对下肢的保护情况。

1 驾驶员侧正碰约束系统的建模及验证

根据相关的仿真理论搭建驾驶员侧正面碰撞约束系统模型，由正碰车体(安全座椅、转向系统、风挡玻璃、方向盘、仪表板、护膝板、地板等车体组成部分)膝部安全气囊、“混合型”安全带和正碰假人等组成。C-NCAP中规定使用HybridⅢ50%假人模型，软件MADYMO的假人库中导出的假人模型是经过验证后的有效模型，本文进行正面碰撞仿真时选取MADYMO假人库中的椭球型假人。C-NCAP中还规定正面100%FRB碰撞工况下模拟试验环境中车速为50 km/h，因此需给正碰车体模型和假人模型定义50 km/h的初速度[5]。

采用三维设计软件CATIA设计膝部安全气囊的CAD模型，在前处理软件Hypermesh中划分网格，在仿真软件MADYMO中设置各参数，最后对膝部安全气囊进行试验验证[6]。在搭建完成膝部安全气囊仿真模型之后，通过对仿真模型输出的动画和随时间变化曲线与实车试验测试数据进行比较，通常认为仿真结果与实车试验结果重合度达到85%以上为有效[7]。膝部安全气囊有效性验证试验包括气囊静态起爆试验和气囊动态冲击试验，因此两种试验理论和方法比较成熟，在此将不详细说明。

上述方法是建立带有膝部安全气囊的前部碰撞约束系统模型。如果要构建没有膝部安全气囊的前部碰撞约束系统，只需要去掉上述膝部安全气囊模型以及膝部安全气囊加载的约束和边界条件即可，膝部安全气囊约束系统模型如图1所示。

图1 膝部安全气囊约束系统模型

2 驾驶员侧正碰约束系统的仿真分析

本文研究膝部安全气囊的初衷是辅助其他被动安全装置来保护乘员的下肢，由于车辆事故中因头部和胸部受伤而死亡的人数较多，且C-NCAP中头部和胸部的分数占比相对较高，所以另选取了假人的头部和胸部进行研究。图2为有无KAB的正面碰撞约束系统仿真输出对比曲线。

由图2可以看出，发生正碰时含有膝部安全气囊中假人模型腿部初始接触从原来的护膝板更改为膝部安全气囊，这提早了假人腿部发生接触的时间；假人的大腿受力曲线达到首次峰值时间提前；假人的大腿力受力值小，且随时间变化更为平缓，这是因为发生碰撞时膝部安全气囊在展开的过程中能够阻拦护膝板与假人的腿部直接接触而造成的挤压，对正面碰撞产生的力进行缓冲，从而减小大腿X方向受力；当发生正面碰撞时，身体由于惯性向前运动，此时腿部向前移动与展开的膝部安全气囊发生接触，抵挡了碰撞时产生的部分力，这种缓冲作用会降低头部和胸部合成加速度峰值，并且到达峰值的时间延缓3 ms左右，膝部安全气囊所具有的缓冲效果有利于驾驶员侧正面气囊的充分展开，那么两者联合可为假人提供更佳的保护效果。

3 乘员约束系统参数优化

通过灵敏度分析，确定了对约束系统影响较大的3个参数：膝部安全气囊的排气孔直径比A(优化后前比)、起爆时间B以及质量流率比C(优化后前比)。对其进行正交试验设计来优化约束系统，选取加权伤害指标[8](weighted injury criterion，WIC)作为试验指标。

在正交试验中，如果对每个因素选择多水平试验可提高优化效果，但增加因素水平数的同时会使试验次数呈几何倍数增长，因此各因素将选取3个水平进行试验，正交试验因素水平见表1。若忽略各因素的交互作用，认为各因素对约束系统的影响是独立的，也就是说只需9次试验就可体现出33次试验的所有信息[9]，表2为正交试验。选取WIC用来评判约束系统的综合保护效果，其数值越低保护效果越好。

表1 正交试验因素水平

表2 正交试验

(1)

在MADYMO软件中调整表1和表2中对含有膝部安全气囊的正碰约束系模型相关参数进行正交试验，为确定各因素最佳水平，选择各因素之间的最佳水平组合，有必要对含有膝部安全气囊的正碰约束系统模型正交试验得到的结果进行极差分析，详见表3。

表3 极差分析

在表3中，Kj表示每次试验各因素在第j个水平的结果之和，j取1、2、3，kj代表Kj的均值。将假人的WIC值作为评价指标，其中极差值RA>RC>RB，则这3个参数影响假人WIC值的主次顺序分别为膝部安全气囊排气孔直径比A、质量流率比C、起爆时间B。将对这3个参数不同水平下假人WIC的平均值进行比较，确定A2B1C2为最优水平组合。为了验证膝部安全气囊正碰约束系统的优化效果，有必要研究所确定的最佳水平组合的假人相关损伤指数和假人身体各部分的时程曲线。

图3 假人伤害曲线优化前后对比

4 结束语

伴随着国内膝部安全气囊的普及应用，也会有越来越多对膝部安全气囊的约束系统的研究。根据已有的正碰整车模型和膝部安全气囊的有关试验数据，搭建驾驶员侧正面碰撞整车模型、假人和膝部安全气囊的仿真模型，并通过正交试验设计进行模型优化。通过输出曲线可以直接反映出膝部安全气囊对乘员身体各个部位尤其是腿部的保护效果。该研究为膝部安全气囊对汽车正面碰撞时乘员安全性的提升提供了科学依据。